راه‌حل همکاری برای محدودکننده جریان خطا (FCL) و بازپرداز خودکار تک فاز (SPAR) در شبکه‌های برق ابرتوان جنوب شرق آسیا
- مقدمه: زمینه پژوهش و اهمیت آن
با توسعه سریع اقتصادی در جنوب شرق آسیا، مقیاس شبکه‌های برق رشد مداوم دارد و بارها نیز افزایش می‌یابند. این امر منجر به این شده است که جریان‌های خطا در سیستم به حدود یا حتی فراتر از ظرفیت قطع کننده‌های مدار شورت می‌رسند، که به طور جدی تهدیدی برای امنیت و ثبات عملیات شبکه‌های برق است. در عین حال، خطوط انتقال با ولتاژ بسیار بالا (EHV) به عنوان ستون فقرات ارتباطات منطقه‌ای برق عمل می‌کنند. بیش از ۷۰٪ از خطاهای موجود خطاهای زمینی تک‌فاز هستند و تقریباً ۸۰٪ از این خطاهای خطاهای گذرا (مانند ضربه‌های برق، اجسام خارجی حمل شده توسط باد) هستند. تکنولوژی خودبه‌خودبازپخش تک‌فاز (SPAR) روش کلیدی برای رفع سریع خطاها، بازگرداندن تأمین برق و تضمین ثبات و قابلیت اطمینان شبکه است.
محدودکننده‌های جریان خطا (FCLs)، به ویژه FCLهای نوع مخزن ضدبرق (MOA) که از نظر هزینه اقتصادی هستند، روش‌های مؤثر برای کنترل جریان‌های خطا هستند و به تدریج در شبکه‌های EHV استفاده می‌شوند. با این حال، تحقیقات موجود عمدتاً روی تأثیر FCLs بر ثبات گذرا و محافظت از رله‌ها تمرکز داشته‌اند و تأثیرات منفی آنها بر موفقیت SPAR را نادیده گرفته‌اند. این پیشنهاد با انجام تحلیل عمیق از تعامل بین FCLs و SPAR و ارائه مجموعه‌ای از استراتژی‌های کنترلی همکارانه مناسب برای شبکه‌های برق جنوب شرق آسیا، به پر کردن این فاصله تحقیقاتی می‌پردازد. این استراتژی‌ها همچنین تضمین می‌کنند که هم جریان خطا به طور مؤثر محدود شود و هم تأمین برق قابل اعتماد باشد.
۱. اصول کار محدودکننده جریان خطا نوع مخزن ضدبرق (MOA)
این نوع FCL از مولفه‌های زیر تشکیل شده است که به صورت هماهنگ عمل می‌کنند تا تابع اصلی ".impedance کم در حالت عادی و impedance بالا در حالت خطا" را انجام دهند:
|
مولفه |
توضیح عملکرد |
|
ریاکتور Lf (Lf = Lc + L) |
در حالت عادی با Cf در سری رزونانس می‌کند و impedance کمی ارائه می‌دهد؛ در حالت خطا، ریاکتور محدودکننده جریان L به سیستم وارد می‌شود. |
|
کندانسور Cf |
در حالت عادی در رزونانس شرکت می‌کند؛ در حالت خطا، به سرعت توسط MOA خورته می‌شود و از مدار رزونانس خارج می‌شود. |
|
مخزن ضدبرق (MOA) |
در لحظه تشخیص خطا عمل می‌کند و Cf را خورته می‌کند. |
|
سوئیچ دوربین K |
بعد از خطا به سرعت بسته می‌شود تا جریان را تقسیم کند و MOA را از جذب انرژی زیاد محافظت کند. زمان‌بندی آن بسیار مهم است. |
|
ریاکتور محدودکننده جریان Lc |
عمدتاً جریان خروجی Cf را از طریق فاصله تحریک محدود می‌کند. |
فرآیند کار: در حالت عادی عملکرد سیستم، Lf و Cf رزونانس می‌کنند → impedance FCL تقریباً صفر است → تأثیری بر جریان قدرت ندارد. وقتی خطا رخ می‌دهد، MOA به سرعت عمل می‌کند و Cf را خورته می‌کند → ریاکتور محدودکننده جریان L به سیستم وارد می‌شود تا جریان خطا را کنترل کند → فاصله تحریک شکسته می‌شود و سیگنالی برای بستن سوئیچ دوربین K ارسال می‌کند → بعد از بسته شدن K، جریان را تقسیم می‌کند تا MOA را محافظت کند.
۲. تحلیل مشکل: تأثیرات منفی FCL بر جریان قوس ثانویه و SPAR
جریان قوس ثانویه جریانی است که پس از باز شدن کلید قطع فاز خطا در عملیات SPAR، به طور مداوم نقطه خطا را حفظ می‌کند و توسط کوپلینگ الکترومغناطیسی و الکترواستاتیک فازهای سالم تأمین می‌شود. مقدار و ویژگی‌های این جریان به طور مستقیم تعیین می‌کنند که آیا قوس خطا می‌تواند خود به خود خاموش شود، که برای موفقیت SPAR بسیار مهم است.
تحلیل شبیه‌سازی (بر اساس EMTP، با پارامترهای مدلی که از سیستم ۵۰۰ kV جنوب چین مرجع گرفته شده‌اند) نشان می‌دهد که نصب FCL ممکن است مسائل جدیدی را مطرح کند:
- تأثیر زمان‌بندی سوئیچ دوربین (K): اگر سوئیچ دوربین K در زمان باز شدن کلید قطع باز باشد، جریان قوس ثانویه شامل مولفه‌ای با دامنه بزرگ (تا ۲۲۵ A) و کاهش آهسته و فرکانس بسیار پایین (تقریباً ۳–۳.۲۵ Hz) خواهد بود. این مولفه با فرکانس پایین تعداد صفرهای جریان را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد و خاموش شدن خود به خود قوس را دشوار می‌کند و به طور قابل توجهی میزان موفقیت SPAR را کاهش می‌دهد.
- تأثیر مقاومت مسیر قوس (Rg): وقتی مقاومت انتقال در نقطه خطا بزرگ است (مثلاً ۳۰۰ Ω)، جریان خطا کوچک است که ممکن است FCL در انتهای خط را فعال نکند (MOA به ولتاژ عملیاتی نمی‌رسد). در این حالت، Cf بدون خورته می‌ماند و مدار نوسانی با فرکانس پایین با ریاکتور موازی خط تشکیل می‌دهد، که به طور مشابه مولفه‌ای با فرکانس پایین تولید می‌کند که برای خاموش شدن قوس مضر است.
۳. بررسی مکانیسم: منشأ مولفه با فرکانس پایین
تحلیل نظری با استفاده از شبکه‌های امپدانس معادل و تبدیلات لاپلاس مکانیسم پشت مولفه با فرکانس پایین را نشان می‌دهد:
علت اصلی کندانسور Cf در FCL است. پس از باز شدن کلید قطع و جدا شدن فاز خطا، انرژی ذخیره شده در Cf از طریق ریاکتور موازی خط و مقاومت قوس نقطه خطا خارج می‌شود. این مدار خروجی یک مدار نوسانی با فرکانس پایین تشکیل می‌دهد، با فرکانس نوسانی (تقریباً ۳ Hz) که عمدتاً توسط Cf و پارامترهای ریاکتور موازی خط تعیین می‌شود و تا حد زیادی مستقل از محل خطا است. این نوسان با فرکانس پایین فقط زمانی که سوئیچ دوربین K بسته بماند و Cf را به طور کامل خورته کند، حذف می‌شود.
۴. راه‌حل اصلی: استراتژی هماهنگی زمانی بین FCL و SPAR
برای تضمین محدود کردن مؤثر جریان توسط FCL بدون تأثیر بر SPAR، این پیشنهاد استراتژی دقیق هماهنگی زمانی زیر را ارائه می‌دهد، با مدت کل کنترل شده در محدوده ۰.۶۶–۰.۷۳ ثانیه:
|
نود زمانی |
فاصله زمانی (ثانیه) |
توضیح فرآیند |
|
t0 |
- |
خطای زمینی تک‌فاز در سیستم رخ می‌دهد. |
|
t1 |
۰.۰۰۲ |
MOA به ولتاژ عملیاتی می‌رسد، عمل می‌کند و Cf را خورته می‌کند و ریاکتور محدودکننده جریان L به سیستم وارد می‌شود. |
|
t2 |
۰.۰۰۲ |
سیستم مراقبت FCL فاصله تحریک G را فعال می‌کند و به طور همزمان سیگنالی برای شروع بستن سوئیچ دوربین K ارسال می‌کند. |
|
t3 |
۰.۰۱۶ |
محافظت خط عمل می‌کند، سیگنال باز شدن کلید قطع را ارسال می‌کند که همچنین به عنوان دستور برای بستن اجباری K عمل می‌کند. |
|
t4 |
≤۰.۰۲۴ |
تضمین می‌شود که سوئیچ دوربین K به طور کامل بسته شده است. این باید قبل از قطع کلید قطع انجام شود. |
|
t5 |
۰.۰۱۶–۰.۰۳۶ |
تماس‌های اصلی کلیدهای قطع خط در هر دو سر باز می‌شوند و جریان خطا را قطع می‌کنند. |
|
t6 |
۰.۰۲ |
مقاومت‌های باز شدن کلید قطع از دسترس خارج می‌شوند، خط فاز خطا را به طور کامل از سیستم جدا می‌کنند؛ قوس ثانویه شروع به سوزن می‌کند. |
|
t7 |
۰.۲۰ |
در طول سوزن قوس ثانویه، K بسته نگه داشته می‌شود تا مولفه با فرکانس پایین را حذف کند. پس از خاموش شدن خود به خود قوس، سیگنالی برای باز شدن K ارسال می‌شود. |
|
t8 |
۰.۰۴۵ |
سوئیچ دوربین K باز می‌شود. |
|
t9 |
۰.۰۱۵ |
زمان دی‌ایونیزاسیون مسیر قوس نقطه خطا، تضمین بازیابی عایق. |
|
t10 |
۰.۱۰ |
سیم لوله‌ای بستن کلید قطع انرژی می‌گیرد، آماده برای بازپخش. |
|
t11 |
۰.۲۰–۰.۲۵ |
کلید قطع بسته می‌شود، با مقاومت‌های بستن برای کنترل افزایش ولتاژهای تغییر وضعیت. |
|
t12 |
۰.۰۲ |
تماس‌های اصلی کلید قطع بسته می‌شوند، مقاومت‌های بستن خارج می‌شوند و خط به طور موفقیت‌آمیز تأمین برق را باز می‌گیرد. |
هسته استراتژی: از سیگنال باز شدن کلید قطع محافظت به عنوان دستور برای بستن اجباری سوئیچ دوربین K به طور سریع استفاده کنید و آن را طی مدت سوزن قوس ثانویه (تقریباً ۰.۲ ثانیه) بسته نگه دارید. این به طور مؤثر Cf را خورته می‌کند، مولفه نوسانی با فرکانس پایین در جریان قوس ثانویه را به طور کامل حذف می‌کند و شرایط مساعدی برای خاموش شدن خود به خود قوس ایجاد می‌کند.
۵. اثربخشی و مزایای طرح
شبیه‌سازی‌های EMTP تأیید می‌کنند که این استراتژی هماهنگی زمانی به دستاوردهای زیر می‌انجامد:
- حذف آسیب‌رسانی با فرکانس پایین: به طور کامل مولفه ۳ Hz با فرکانس پایین در جریان قوس ثانویه را حذف می‌کند و از تأثیرات منفی آن بر خاموش شدن قوس جلوگیری می‌کند.
- بهینه‌سازی ویژگی‌های خاموش شدن قوس: زمان خاموش شدن قوس ثانویه را تقریباً ۴.۵٪ کاهش می‌دهد و جریان مولفه توانی را ۱۰.۵٪ کاهش می‌دهد، که به طور قابل توجهی میزان موفقیت SPAR را بهبود می‌بخشد.
- سازگاری و قابلیت اطمینان: این استراتژی بر ویژگی‌های بازیابی ولتاژ اصلی سیستم تأثیر نمی‌گذارد و تعادل بین ایمنی FCL (حفاظت از MOA) و نیازهای بازیابی سریع را ایجاد می‌کند.
- آسانی اجرایی: بر اساس سیگنال‌های محافظت موجود، این استراتژی نیاز به تغییرات کمی در سیستم‌های ثانویه دارد، هزینه پایینی دارد و برای پروژه‌های EHV موجود یا جدید در کشورهای جنوب شرق آسیا مناسب است.
۶. نتیجه‌گیری و پیشنهادات
برای شبکه‌های برق EHV جنوب شرق آسیا که برنامه‌ریزی شده یا قبلاً با FCLهای نوع مخزن ضدبرق (MOA) مجهز شده‌اند، اهمیت بسیاری دارد که مسئله پتانسیل نوسان با فرکانس پایین در جریان قوس ثانویه را که می‌تواند میزان موفقیت SPAR را کاهش دهد و تهدیدی برای قابلیت اطمینان تأمین برق باشد، به طور جدی در نظر بگیرند.
